CN101784882A - 用于测量植物在其自然环境中水化作用的光电子测量装置 - Google Patents

用于测量植物在其自然环境中水化作用的光电子测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及植物构件(10)中含水量测量用的光电子装置以及实时估计和跟踪植被(10)水化状态用的仪器。它们允许以一个时间间隔对同一材料进行反复的测量，而不会对其造成损害或破坏。该装置包括与测量外壳(2)相结合的光电子探测器(1)，该探测器(1)包括：i)第一光源(3)，发射波长对应于水强吸收带的光；ii)可选地，第二光源(4)，发射波长约在第一光源(3)附近并被水弱吸收的光；和iii)光接收器(5)，其光谱响应对应于第一光源(3)和第二光源(4)的发送带，该装置包含以确定的频率调制光源(3，4)发射的平均光功率用的装置(16)；和对光接收器(5)所接收的光进行同步检波用的装置(8)。该探测器(1)可由移动机构承载，后者包括两颚(21，22)，样品无压力接触地夹在该两颚之间。

Description

用于测量植物在其自然环境中水化作用的光电子测量装置
本发明涉及估计和跟随植被水化状态的领域，更具体地说，涉及以光电子技术测量植物样品水状态的方法。
它旨在提出一种可以测量植物的含水量而不对其造成损害或破坏用的光电子装置，以及实时地估计和跟踪其水状态用的仪器。其目标同样在于提出一种使用所述装置和所述仪器的方法，特别是实时地监测广阔的植被的水化状态用的方法。
植被的含水量在生理调节机理和环境因素结合的作用下变化。这些变化直接和逐渐地对植物的生产水平和脆弱性施加影响。因而，掌握缺水的出现周期、强度和期限的知识，为干旱时期对农作物的作用预先准备，或者进一步估计森林、丛林或荒地地区火灾的危险，构成必不可少的步骤。此外，水化速率的测量是在预测方法中要考虑的重要参数，以便在缺水未达到临界之前对灌溉作业进行自动控制，或者例如，为了以这种缺水报警的形式发信号。当人们知道干旱是大量的森林火灾和农业生产巨大损失的基本原因时，便能权衡这些预测的重要性。
人们利用了不同的直接或间接的检测和跟踪方法。人们知道基于诸如空气和地面的温度、湿度、光线强度、降水或风等环境测量的外推值的传统的农业气象学传统的方法。最近，为了地图绘制和农业监测的目的，开发了遥感技术。今天，由于人造卫星信息成像和地理信息系统，这些技术提供快速而可靠地研究领土的可能性。但是，它们对该领土面积给出总的评价，然而不提供允许考虑植物的性质、土壤的类型、地形的关键点。此外，还很显然，在经济上只有在大规模，特别是为了达到领土整理的目标，展开这样的装置才是正当的。
因而，广泛利用一些比较适合点测量和更专门的测量方法。可以列举基于植物叶子电导测量的技术，诸如US 5 334 942或者FR 2 753 272。例如，FR 2 753272描述了一种借助于包括连接至电子电路的两个电极的传感器的叶子上液体存在的传感器。人们还从WO83/02326知道一种利用从待测材料内部的光源发射红外辐射的反散射的方法。出版物CA 960 308或JP 5 313 898描述通过微波吸收测量湿度的仪器。
在实验室中还使用一些光度方法。例如，JP2005 308 733描述一种评价水应力(stress hydrique)的方法，它包括从叶子和白小板反射和吸收的光强度差出发计算光谱反射率。人们提出了一些基于含水量对近红外的选择性吸收的解决方案。但是，为了获得令人满意的信噪比和精度，它们需要实施准直光学组件和/或比较复杂的集成系统。
一般说来，所有这些方法都有设备易碎或者实施测量时显得笨重不太适合实现野外测量的缺点。大部分都意味着每次测量都要破坏植物材料，这使之无法跟踪同质的材料，另外，还要求在大自然中无法再现的可控照明环境中进行。
因而，为了保证农业和森林资源的有效和持久的管理，提出一种就地直接和瞬间测量植被水化作用的系统，看来是一个重大的挑战。
本发明的目的是，提出一种对植物的水化速率进行直接的非破坏性和瞬间的测量用的装置及使用此装置的方法。本发明的另一个目的在于，提供一种活体和就地测量的装置，它不应该受到环境条件，特别是太阳光的影响。其目的还在于，提出一种允许连续地对植被水状态演变过程进行测量的跟踪方法。本发明的另一个目的是实时地获得关于一个或几个可能彼此远离的确定的植被区域的信息。本发明的另一个目标是，提出一种方法，其中测量是自动进行的，而且最好还对该装置和测量结果的处理进行控制。最后，该装置力求小型、坚固，特别是能够面对不利的，甚至恶劣的气候条件，在能量和数据处理上有自主能力，而且不太昂贵。
这些目标由于本发明的目标装置而得以实现，它包括集成的光学传感器，利用叶子在红外介质中的光学特性，提供有关叶子样品水化作用水平的瞬间的和准确的定量信息。事实上，透射光的部分与叶子中所含的水所吸收的部分相关，含水量越大，吸收部分就越大，透射部分越小，于是，测量变量明显与叶子含水量相关。从一个或几个合理地固定在自然空间中的遥控的传感器收集的这个信息，可以提供行为模型，并跟踪处于水约束中的植被，以便建立快捷而实用的预测。另外，这样的一个系统允许考虑当地的物理和气象条件。
于是，这带来对所识别的主要技术、运行和经济约束的有效响应。其新型特征带来一种测量方法，它保证可以不受一般是不利的环境条件，诸如周围照度或温度的影响，并在不破坏样品的情况下允许自动实现连续的测量。这还由于该装置是一个性能良好的、集成的、小型化的和便携式的野外仪器，成本相对较低。这些特征的结合有助于使对一个现场的样品进行连续测量成为可能，于是，开辟了一条从在现场固定安装并形成网络的一个或几个仪器出发，在空间和时间上进行跟踪的途径。
所谓“植物构件”或“样品”，指的是植物的一部分，其含水量表征整个植物的水状态，而且其厚度薄，适宜于进行光透射测量。一般指的是叶子。监视一个栽种区域时，该植物可能是培植品种，或者是野生品种，最常见的是为了防止火灾。该构件或样品最好具有持久的特性，至少在监测期限内是如此。
更准确地说，本发明旨在提供一种植物构件在其自然环境中的水化速率的测定装置，包括光电子探测器，所述光电子探测器与测量外壳相结合能够进行光透射系数的测量，所述探测器包括：
i)第一光源，所述第一光源在对应于水强吸收带的波长下发射光；
ii)可选地，第二光源，所述第二光源在接近第一光源且水弱吸收的波长下发射光；和
iii)光接收器，其光谱响应对应于第一和第二光源的发射带，
其特点在于，所述测定装置包括以确定的频率对由所述光源发射的平均光功率进行调制的装置，以及同步检波装置，所述同步检波装置对光接收器所接收的光进行同步检波，使得透过植物构件并被光接收器接收的给出有用信息的光是由所述光源发射的光的交变分量。
于是，该装置免除了环境光所产生的光电流的重大平均分量。太阳直接产生的或者由漫射光产生的平均照度，和由地面和热材料发射黑体类型的光线，在光接收器上产生一个非常强的光电流平均分量，它可能是光源所发出的103至104倍以上。按照本发明，只有包含在透过该植物发射的光的交变分量中的有用信息，才被该光接收器接收并被测量回路放大。
第二光源的使用是任意的，但能改善该测量。通过发射一个波长约等于第一光源波长，但水对其吸收弱的光，它允许设置一个与其含水量无关的植物构件透射率的值，并通过比较得到仅仅含水量对透射率的贡献。
该测量外壳专门用来容纳信号处理的电子部件、至于探测器，除已经提到的光电部件外，它还包括检测电子部件。这种分配并非总是硬性的，某些部件可以不在其中，构成功能模块的电路和这些模块本身可以由本专业技术人员以不同的方法根据所接受的规格设计和安排。一般说来，传感器的体系结构按照自动或手动的运行模式、实施方式或按照加入的功能可以有所不同。不同的实施方式可以在本发明的范围内从对于本领域技术人员显而易见的方案出发构成。
该第一光源在对应于水强吸收带的光谱间隔中发射光。最好利用光谱中心在1940nm的光源。同样可以使用中心在1450nm左右的光源，特别地对于含水量高的植物。作为标定装置的非强制性地利用的第二光源，例如，其中心在1300nm上。对光源所发射的平均光功率的调制是以一个确定的固定的或可变的频率实现。
按照本发明，该装置一方面包括对光源的调谐在调制频率(或多个频率)上的光电信号交变分量进行放大的装置，而另一方面包括所述信号的同步检波装置。为此，可以利用狭带滤波器，它可以减小有用的信号的通带以外的噪声，还调整同步检波器输入端上同相(或反相)的光电信号和基准信号用的前置放大回路的相位差。同步检波对交变信号进行检波，以便提供一个其平均值与光电信号的振幅成正比的连续信号。于是，获得一个与透过植物构件的光功率成正比的连续信号。
按照其概念上更现代化的另一个解决方案，模拟回路的一部分可以用与数字信号处理器(DSP)相联系的数模转换器(A/D)代替。前置放大之后，该光电交变信号以及基准信号都是数字信号，该两信号与时钟信号是相干的。数字处理重构光电信号的基波(或一个谐波)。由于DSP内部基准信号的存在，很容易消除非相干(噪声)信号，并缩小串音的贡献。通过计算数字滤波的光电信号有效值(或RMS)，以数字形式推导出有用信息。
按照本发明的装置一个推荐的实施例，该探测器包括能够维持该第一光源结温度，而且最好也维持光接收器结温度恒定的温度调节装置。事实上，为了把发射光谱完美地调谐在水吸收线上，最好稳定光源的温度。另一方面，在三伏天，光接收器的温度最好应该相对较低，以便缩小暗电流，并调整光谱响应最大截止波长。
按照本发明，例如，光源可以是电致发光二极管(LED)、单频带型激光二极管或者面发射激光二极管。该光接收器可由本专业技术人员用已知的方法选定。例如，这是光电导体，或者最好是异质结光电二极管。该光电二极管的特征在于线性动态范围非常大。因此，包含有用信息的交变电流的低振幅，在没有畸变和没有明显压缩的情况下，重迭在环境光产生的非常强的平均分量上。另一方面，该光接收器可以与一个能够维持其恒定偏压的互阻抗(transimpedance)电路相结合，以便使所述光接收器保持线性状态。
为了改善该测量的精度，光源照射该叶子较大面积是有意义的。于是，按照Lambert定律(扩展光源)，其辐射透过植物构件的漫射光部分的透射被呈现大视界的光接收器截获，这允许通过实现在一个大的面积上求平均，考虑植物构件的瑕疵和不规则性。这使得植物构件需要在所有区域上都同样地被照射。
这就是为什么按照本发明一个有意义的特征，该装置包括一个能够保证用光源非常宽阔而均匀地照亮植物构件的光学组件。例如，人们可以求助于一组棱镜(或反射镜)，其中反射面与入射光和透镜成45度角；并设置在植物构件两侧，用以确定第一光源发射的光的方向，并沿着紧凑的装置内部短的光学行程，将其聚焦在该光接收器上。
因而，人们希望该配置的尺寸尽可能小，与其集成在便携式测量装置中相兼容，但又不会因此而损害测量精度。为此目的巧妙地利用包含两个设置在植物构件两侧的Fresnel棱镜的配置。在这种情况下，反射面不是一个45度的平表面，而是包括安排成阶梯形的多个小平面，每一个小平面与入射光线成45度角。于是，棱镜的厚度减小，人们获得一个厚度小型化的光学组件，在一个宽阔的区域上用准直的光照射植物。
在按照本发明装置一个特别有意义的实施方案中，探测器由包括两颚的移动机构承载。两颚中的一个支持光源，而另一个则支持光接收器，所述两颚相隔一段距离，使得测量时光源和该光接收器设置在植物构件的两侧。于是，样品无压力接触地置于两颚之间。在测量期间该光学部件彼此固定在一个确定的距离上。
在一个推荐的实现模式中，当按照本发明的装置处于测量位置时，该光接收器设置于上颚，以便限制太阳的直接照射，而光源设置于下颚，向上发射其光通量。该发射部件和检测部件可以用对所考虑的波长透明的保护板保护，使之免受杂物(灰尘、水等)侵害。添加不透明的柔性塑料制可移动保护外套，还可以限制外部照度信号的贡献。
按照本发明一个有利的方案，该两颚装有铰接轴允许其张开。当用自动或手动的移动机构对植物构件实现一系列测量时，这样安排有一个明显的优点。那时两颚张开到最大，接着使其重新回到测量位置，该探测器可以设置在植物构件的水平上。该两颚的中性位置(静止时)，在自动模式下可以推荐关闭位置，或者在手动模式下推荐打开位置。按照所选定的模式，该中性位置的保持可以用拉伸弹簧或板簧保证。
在所有这些情况下，该装置最好包括一个与该两颚协调的可调整撞块，用以把该两颚的间隔调节到最优的测量位置。例如，令人满意的间隔约为5mm至25mm。当希望实现对植物构件一个宽阔的区域进行照射时，推荐大的间隔，至少10mm。
当利用一个设有移动机构的装置时，移动机构最好还包括与测量外壳电连接的装置以及与光接收器相结合的检测电子电路装置和至少该第一光源和最好还有光接收器用的温度调节装置。部件的电气布线包括在相应的颚内。
本发明的目标还在于，提出一种植物构件水化状态检测仪，它按将要描述的方法集成测量装置，并且另一方面能够保证与在更大的时间和/或空间规模上力求达到与结果的实现协调的互补功能。于是，请求一种植物构件水化状态检测仪，它包含：
●上述装置，能够实现对植物构件在其自然环境中光透射系数的连续测量；
●把植物构件保持在非约束的位置中的装置；
●与控制模块通信的装置。
控制模块是作为主组合件的中央单元，特别是包括母板和电池组，可以位于仪器中或者部分地在远方，采取一种适宜于本发明目标仪器的功能的结构，并按照本领域技术人员已知的技术规则设计。
把植物构件保持在非约束的位置上的装置可以是任何类型，只要它允许以一定的时间间隔对同样的材料反复进行测量。这一方面意味着植物材料在整个检测现场上保持良好的状态，而另一方面对测量机构保持相同的定位。诚然不难理解，在原野上，植物并非不动的，它随着发育而改变尺寸，并随风飘动。所谓非约束位置，是指适当选择保持装置，以保证植物保持在给定的位置中而不被损坏、不被改变，更不受破坏，因而不产生会改变植物构件水状态的应力。按照本发明的一个特征，该植物构件保持装置可以包括一个设置在探测器高度上的横架，和至少一个捆绑固定承载所述植物构件的植物的一部分。例如，这样的部分是植物构件在其上发育的并呈现一定刚度，允许使之保持不动，就是说允许没有压力地封闭的杆或者枝杈。
按照本发明的另一个特征，该仪器可以包括移动机构的内部保护凹槽和在进行测量之前把所述机构移动到植物构件的装置。于是，可能在两次测量之间把探测器的部件收进防恶劣的天气和灰尘的保护罩中，而受测试的叶子本身则依然处于日晒或雨淋的正常条件下。按照本发明一个特定的方案，该仪器包括探测器移动和控制两颚运动的自动机构。
按照本发明的仪器最好还包括数据采集装置，采集有关气候环境和/或植物构件地理位置的数据。例如，它可以具有一个包括雨量计、温湿度计和风速计的外置单元(unite deportee)。在按照本发明仪器一个推荐的实现模式中，它包括下列一个或几个模块：
●微控制器模块，控制电子电路和机械自动装置的功能；
●通信接口模块，配有本地输出和/或远程输出；
●移动机构的自动装置模块；
●电源模块，包含自主式能源。
该适当的电子电路是按照技术规则设计的，并与这些模块相结合。它尤其包括各种板卡和需要的电子部件，特别是可以装在测量移动机构以外的检测部件、温度调节的电子电路、发射块和时钟电子电路、放大、滤波和检测、探测器卡、保证探测器卡和控制/测量信号结合的模拟主电路卡。
下面将要描述的装置和仪器特别适宜于实施植物构件在其自然环境中水化速率测定的方法。于是，请求一种借助于按照本发明的装置或仪器实现光透射系数测量的方法。
本发明的目标还在于，提出一种借助于光电子探测器测量光透射系数，以便测定植物构件在其自然环境中的水化速率的方法，它主要包括下列步骤：
●从第一光源发射波长对应于水强吸收带的光，和可选地，从第二光源发射其波长约等于第一光源波长的水吸收弱的允许对光透射测量进行标定的光；
●按照一个确定的频率调制该一个或多个光源发射的光，以便获得所述光的一个交变分量；
●用该发射光的所述交变分量照射植物构件；
●在光接收器上接收该光透过植物构件的所述交变分量，并对光电信号进行同步检波。
在该自动化配置中，该仪器非常自然地固定在参照植物附近。所选定的安装方法最好是这样的，使之允许在可达数月的较长和较短时间里自主地和自动地进行连续测量。第二光源的使用是任意的，但可改善测量，因为它允许设置一个与其含水量无关的植物构件透射率值。
该方法包括放大被该光接收器接收的调谐在光源调制频率上的光的所述交变分量，并对光电信号进行同步检波，以便获得一个与透穿过植物构件的光功率成正比的信号的步骤。对所获得的光电信号的处理模式可以是模拟的或数字的。
若利用模拟回路(带通滤波器和同步检波)，则在输出端获得一个与透过植物构件的光功率成正比的连续信号。狭带滤波器允许减小有用信号通带以外的噪声信号，并调整前置放大回路的相位差，使光电信号和基准信号在同步检波器输入端同相(或反相)。对交变信号进行检波以便提供一个连续信号。若使用数模转换器(A/D)与数字信号处理器相联系，则在输出端获得一个与透过植物构件的调制光功率分量成正比的数字信号和一个与该光电信号有效值成正比的数字值。在这后一种情况下，对被该光接收器接收的光的所述交变分量进行放大之后，把模拟信号转换为数字信号，并以数字信号处理器(DSP)产生的与光源调制信号相干的时钟信号作为基准进行处理。
按照所请求的方法的另一个推荐的特征，把第一光源，最好还把光接收器的结温度维持在一个完美地对应于植物中水吸收线的恒定值上。测量时光接收器的偏压同样最好维持恒定。
按照本发明一个有意义的特征，该一个或多个光源所发射的光穿过一个能够宽阔而均匀地照射植物构件的光学组件。它可以穿过一组棱镜，其中该反射面与入射光线和透镜成45度角，设置在植物构件的两侧。例如，它穿过植物构件上游的第一透镜和第一棱镜，接着在下游，穿过第二棱镜和第二透镜，以便把透射的光聚焦在该光接收器上。
按照一个对小型化而不损失图像精度的特别有意义的实施方案，该一个或多个光源所发射的光穿过两个Fresnel棱镜，其反射面包括多个与入射光线成45度角的小平面，所述棱镜设置在植物构件的两侧。
在按照本发明的方法一个特定的实施模式中，利用一个由包括相距一段距离的两颚的移动机构承载的探测器，面对面地两颚中一个支持该一个或多个光源，而另一个支持光接收器，并在进行测量之前预先把所述两颚设置在植物构件的两侧。在这种情况下，当把两颚放置在植物构件的两侧时，最好所述两颚张开，接着关闭到调整两颚间隔的撞块的测量位置上。
在借助于由所述移动机构承载的所述探测器对植物构件的光透射系数进行连续测量时，在两次测量之间移动机构最好缩回仪器的内部凹槽中。按照本发明目标方法一个有意义的实施模式，通过固定承载所述植物构件的植物的一部分，把植物构件持久地维持在一个非约束的位置上，使之能够伸入承载该探测器的移动机构。
按照本发明的方法还可以包括一个或几个操作，包括采集有关气候环境和/或所述植物构件地理位置的数据。最后，本方法可以包括至少一个由本地自动化系统或者远程指令管理的下列操作：
●测量的起动和实现；
●控制电子电路和机械的功能；
●通信的管理；
●数据的采集、存储和传输；
●自主式能源供应。
如上所述，可以对同样的植物构件实现几个连续的测量，以便测量所述植物构件含水量的演变。同样可以设想在对占据较大和较小区域的植被的不同点上实现多个测量。这些测量可以由一个配有按照本发明的便携式装置的操作人员实现，从所研究的区域的一个点移动到另一个点。而且，还可以借助于几个永久地安装在所研究的植被的不同点上的仪器在自动模式下实现。还请求先前所描述的植物构件在其自然环境中的水化速率测定装置，或者同样上述检验植物构件在其自然环境中的水化速率的仪器，在估计和跟踪植被水化状态随着时间的变化的用途。
还请求先前所描述的测量光透射系数来测定水化速率的方法，在估计和跟踪植被水化状态随着时间变化的用途。这假定组成所述方法的步骤可以以选定的时间间隔，最好在所监测的植被区域的不同点，反复进行，于是按照本发明通过与组织成网络并远程控制的实施装置相联系便成为可能。
在不同的时刻对同样的样品重复地进行测量，便可以以植物生长周期或季节的规模，建立叶片水状态的准确而有意义的动态曲线。这可以免除与在一个给定瞬间两个叶子之间，或者甚至两棵相邻植株之间，可能观察到的状态异质性相联系的噪声。最后，这可以使在破坏性测量的情况下不易察觉的不显著的水状态变化变得显著。
借助于说明特定的实现模式但不限制其范围的示例和附图，会更好地理解本发明。
图1是按照本发明的植物构件光度测量装置的功能示意图，包含探测器和测量外壳；
图1a示意地表示宽阔地照射植物构件用的包含一组透镜和平面棱镜的光学组件；
图1b示意地表示宽阔地照射植物构件用的包含两个Fresnel棱镜的光学组件；
图2是按照本发明估计和跟踪植被水化状态的仪器的功能示意图；
图3表示承载探测器的移动机构，带有由拉伸弹簧驱动的铰接颚；而
图4是按照本发明的仪器的流程图，说明按照自动化模式的运行方法。
示例1：植物构件光度测量装置
植物构件在其自然环境中的水化速率测定装置在这里包括与测量外壳2相联系的光电子探测器1。探测器1包括两个LED，发射狭带光谱：LED 3发射波长为1940nm对应于水强吸收带的光；而LED 4，发射1300nm，水弱吸收的光。还包括耦合到其放大器的光电二极管5，其光谱响应对应于该两个LED的发送带。外壳2包含主电子电路卡，集成电子实施的主要部分。外壳2和探测器1形成两个分开的但在物理上被电缆或扁平电缆(nappe)连接的部件。LED 3的中央发射波长的调整是由结温度调节器9a实现的。中心位于1300nm的LED 4，允许通过测定与样品含水量无关的信号的衰减，对样品的光透射测量进行标定。不调节该LED的温度。
为了消除周围照度给该光电二极管造成的非常强的光电流平均分量，以一个由时钟11确定的频率对LED发射的平均功率进行调制。只有光电流的这个包含信息的交变分量才接着被检测回路处理。
光电二极管5在温度上被集成在该光电二极管的外壳中的调节器9b调节。为了达到所希望的光谱响应，需要采取半导体技术，但后果是光电二极管呈现巨大的暗电流。为了缩小暗电流，采取了两种技术：
●由互阻抗(transimpedance)电路(未示出)强制造成0V偏压；
●把温度调节到低于周围温度。
光电二极管5的特征在于线性动态范围非常大。因此，包含信息的微弱的交变电流振幅，在不畸变、不明显压缩的情况下，重迭在环境光产生的非常强的平均分量上。于是不得不使用互阻抗电路来保持使光电二极管处于线性状态的恒定偏压。该平均电流通过产生一个其二次谱密度恒定的(白噪声源)散弹噪声电流，使光电信号的信噪比退化。为了使信噪比达到最优，进行调谐在调制频率上的选择性放大(借助于放大器7)，避免同步检波器8输入噪声超载。采用电压增益可编程的放大器12，以便调整同步检波器8的动态范围。同步检波输出上的低通滤波器13的时间常数，使通带等价于回路噪声。同步检波对其平均值与光电信号振幅成正比的交变信号进行检波。这就是人们要测量的平均分量。图1描述测量模拟回路。所用的电子部件都是可以获得的标准部件并在市场上可以轻易购得。只要满足组件所需的功能，就可以设想替换解决方案。
探测器1可以配备图1a所示的光学组件40。第一LED 3发射1940nm的光，标定LED 4发射1300nm的光。该光穿过第一透镜41，接着穿过平面棱镜42。于是，在第一棱镜42的输出上该均匀的光束照射在植物构件10一个宽阔的区域上。透射的光被第二平面棱镜43接收，接着被第二透镜44聚焦在光接收器5上。作为替代方案，而且从小型化可能性的观点上性能更好，平面棱镜42，43和透镜41，44用配有多个安排成“阶梯形”与入射光束成45度的小平面48的两个Fresnel棱镜46，47代替，使光束按照与Fresnel透镜相同的原理照射。
在这两种情况下，人们获得对植物构件10的均匀而且宽阔的照射(光束45的光学行程用细线表示)。配置40具有最小的外廓尺寸并易于集成在紧凑的装置中，从而使之能够小型化，但仍与优异的测量精度兼容。
示例2：带有支持探测器的移动机构的装置
在图3上示例1所描述的装置的探测器1由移动机构20支持，包括两颚21和22，可围绕铰接轴24移动并相隔一段距离23。该机构允许：
●接纳光度检测的电子电路；
●保证LED 3和4以及光电二极管5在该测量配置中的定位的保持；
●通过适当的功效学保证对植物样品活体透射测量的实现和重复。
移动机构20(开/闭)的实施可以自动或手动实现。颚21，22的中性位置由弹簧28的动作保证，并按照自动或手动模式而变化。在自动模式下，中性位置是由拉伸弹簧维持的关闭位置；在手动模式下，该中性位置是由板簧保证的打开位置。测量电子电路坚固地安装在颚21，22的两个端部，通过固定该两颚而直接面对面。光电二极管5位于上颚21，以便限制太阳的直接照射。LED 3，4位于下颚22，向上发射其光通量。可以用两块对所考虑的波长透明的保护板(未示出)保护发射部件和检测部件3，4，5，以免杂物(粉尘、水等)侵入。两颚21，22之间的间隔为15mm，并构成样品10插入区域。
发射部件和检测部件的电气布线每一个都集成在该颚形支架上。LED 3，4和光电二极管5之间的间隔是恒定的，为5mm(部件边缘至边缘)；设置在移动机构20的原点上的可调整的撞块25可以很好地面对面地定位这些部件。照射面积(在样品水平上)在2cm2的数量级，并可以用保护板一部分进行圆形挡光加以缩小。添加柔性塑料制成的可移动保护外套可以限制外部照度的贡献。样品10无压力接触地装在该两颚21，22之间。在测量期间，光学部件固定得彼此相隔一个确定的距离。
示例3：跟踪植被水化状态的仪器
图2所示的仪器用分别用示例1和2中描述的装置和移动机构实现。在这里呈现的仪器具有自动运行模式。它包括把植物样品保持在非约束位置上用的装置；和用布线26连接与控制模块30通信的装置31。
3.1)样品的保持
横架27由圆形杆构成，其几何形状可按照样品和承载该样品的植物(木本或非木本植物)的形态(叶的面积、长/宽比等)而变化。它具有标准端接作用，例如，两个平行的插针，允许插入仪器体内。固定的捆绑允许对植物不改变和非破坏性的悬挂，包括：
●在横架上一个或两个固定点，位置可通过滑动调整，并用固定螺钉固定；
●植物(枝或杆)的栓系点。
捆绑的数目随植物(植物的类型、叶子的特征等)和环境条件，特别是风而变化。
3.2)环境系统
图4所示的环境系统允许固定地安装在自然介质中，远程管理和测量周期的自动化，特别是测量电子电路的自动标定、测量时探测器在样品上定位的伺服装置和测量结果的远程传输，都由其实现确定。它包括一个作为主组合件的中央单元，特别是包括母板和电池组，并可以位于仪器本机中，或者部分地在远处，按照适合本发明的目标仪器的功能结构，按照本领域技术人员已知技术的规则设计。
3.2.1)控制模块或微控制器
该模块30具有以下功能：
●单独控制包含于测量周期的实施中的不同模块并协调其动作；
●管理测量的自动编程；
●优化探测器1的能量管理；
●采集、处理、存储，接着恢复不同的测量分量；
●保证测量回路的完整性。
它采取带有位于中央单元的微控制器的电子电路卡的形式，按照外廓尺寸面积小的逻辑设计。
3.2.2)“通信接口”模块
这是一个组合件31，由两个专用于本机通信31(a)和远程通信31(b)的子模块组成。它具有以下功能：
●接收和管理本地用户发出的起动测量周期的命令(手动模式)或远程请求(自动模式)；
●通过显示或传输向该本地用户或该远程请求发送测量结果；
●允许选择该装置的参数。
远程通信子模块31(b)是一个通信卡上的GSM型无线通信模块。它有一条外部天线，定位于中央单元的上层模块。所选定的测量周期的起动模式决定GSM链路的特色：
●在排他性自动模式下，该微控制器按时钟程序自动地启动测量周期：GSM-检测器用来向GSM-管理商传递测量结果。
●在非排他性自动模式下，测量周期通过从GSM用户向GSM检测器发送SMS来起动。收到SMS后，GSM-检测器的传感器向微控制器发送信息，启动该次测量，接着向GSM管理商发送测量结果。
●在混合模式下，同时由用户和装置(编程)实现起动。后两个方式意味着GSM检测器应该总在监听。
3.2.3)“电源”模块
该模块34具有以下功能：
●在手动启动探测器1的情况下，保证微控制器30和测量装置良好运行相适应的和需要的供电，以及在装置自动启动的情况下通信模块31和移动机构20的自动装置的供电；
●在该第二种情况下，在与地面用户表达的需求兼容的期限内保证装置的自治。
对于手动和自动方式，它包括电池组或干电池类型内部电源，对于自动模式，用光伏打太阳电池板类型的外部电源补充。
3.2.4)“探测器自动装置”模块
该模块33具有下列功能：
●允许在测量周期起动时把探测器1临时定位在样品10上，以便进行测量，一旦测量完成便将其退回；和
●不进行测量时，将探测器1收入保护罩中，以防外部侵蚀(灰尘、光线、雨等)。
它在接纳基座包括一个特定的凹槽以及移动机构20展开/褶回的自动装置。移动机构20的展开/褶回系统包括一个线性移动伺服装置。它是借助于线性步进马达实现的。该电动机与机构20连成一体(在后表面)，而螺钉的前端固定在接纳基座上。该电动机由微控制器30控制。
3.2.5)“气象环境参数”模块
这是一个外置模块32，具有以下功能：
●测出围绕光谱测量的气象环境特征，例如，通过登记最近24小时的累计降水量，和最近下雨事件的自动日期时间记录；测量时刻保护罩下的周围温度；测量时刻保护罩下的空气相对湿度；测量时刻平均风速和风向；和
●按日期和时间向微控制器30返送信息。
示例4：测量的实现-方法
在手动配置下，该测量是由出现在现场操作人员实现。操作人员使装置上电，开始测试阶段(输入端电压和发射/接收链接清单)并实现一次空测量(没有样品)。接着，将移动机构20手动定位于待测叶子10上面，以便进行透射测量。微控制器30接着计算透射率并编纂要向本地和/或远方发回的信息(装置的参数)、透射率测量值。接着撤去该装置的电压。
在自动配置下，该测量由先前描述的仪器按照一个运行模式使图4的模块投入运行而实现。不处于测量阶段时，安装在要考察的植物附近的仪器处于监听状态。它的激活和一次测量的起动是在收到一个远程指令时或由程序自动起动实现。把该信息传输到微控制器30，后者本身同时控制“探测器自动装置”模块33和光度计装置1，2。记录动作的日期时刻如下：
●光度计装置完整性测试阶段(输入端电压和发射/接收链接清单)；
●在颚21，22的中性位置上实现一次空测量；
●移动机构20平移并把探测器1定位在样品10上；
●实现叶子的透射率测量；
●控制移动机构20收回。
微控制器模块30接着进行透射率计算，接着编纂要发送的信息(气象学数据、探测器的参数和透射率测量(结果))。向接收中心35进行远程发送。周期结束时，该仪器回到其监听状态。

Claims (32)

1.一种植物构件(10)在其自然环境中的水化速率的测定装置，包括光电子探测器(1)，所述光电子探测器与测量外壳(2)相结合能够进行光透射系数的测量，所述探测器包括：
i)第一光源(3)，所述第一光源在对应于水强吸收带的波长下发射光；
ii)可选地，第二光源(4)，所述第二光源在接近第一光源且水弱吸收的波长下发射光；和
iii)光接收器(5)，其光谱响应对应于第一和第二光源(3，4)的发射带，
其特征在于，所述测定装置包括以确定的频率对由所述光源(3，4)发射的平均光功率进行调制的装置(6)，以及同步检波装置(8)，所述同步检波装置对光接收器所接收的光进行同步检波，使得透过植物构件(10)并被光接收器(5)接收的给出有用信息的光是由所述光源(3，4)发射的光的交变分量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括对调谐在所述光源(3，4)的调制频率下的光电信号的交变分量进行放大的装置(7)。
3.如上述权利要求中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述探测器(1)包括温度调节装置(9a，9b)，所述温度调节装置能够维持第一光源(3)和最好也维持光接收器(5)的结温度恒定。
4.如上述权利要求中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述光源(3，4)是电致发光的二极管、单频带激光二极管或面发射激光二极管。
5.如上述权利要求中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述探测器(1)包括光学组件(40)，所述光学组件能够保证所述光源(3，4)宽阔且均匀地照射植物构件(10)。
6.如上述权利要求所述的装置，其特征在于，所述光学组件(40)包括一组棱镜(42，43)，其反射面与入射光线和透镜(41，44)成45度角，放置在植物构件(10)的两侧，或者两个Fresnel棱镜(46，47)，其反射面包括多个与入射光线成45度角的小平面(48)。
7.如上列权利要求中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述探测器(1)由移动机构(20)承载，所述移动机构具有两颚(21，22)，所述两颚彼此面对面且其中一个支持所述光源(3，4)，而另一个则支持所述光接收器(5)，所述两颚相隔一段距离(23)，使得测量时所述光源(3，4)和所述光接收器(5)设置在所述植物构件(10)的两侧。
8.前一项权利要求所述的装置，其特征在于，在测量位置上，所述光接收器(5)设置于上颚(21)，而所述光源(3，4)则设置于下颚(22)。
9.如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，两颚(3，4)装有铰接轴(24)，以便允许所述两颚打开。
10.如权利要求7至9中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置包括可调整的撞块(25)，所述撞块与所述两颚合作，用以把所述两颚的间隔调节到最优的测量位置。
11.如权利要求7至10中的任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述移动机构(20)还包括用于与测量外壳(2)电连接的装置(26)、与光接收器(5)相结合的检测电子电路装置以及至少所述第一光源和光接收器的温度调节装置。
12.一种植物构件水化状态的检测仪(10)，其特征在于，它包括：
●如权利要求1至10中的任何一项权利要求所述的装置，所述装置能够实现所述植物构件在其自然环境中光透射系数的连续的测量；
●把植物构件(10)保持在非约束位置上的装置(27)；和
●与控制装置(30)通信的装置(31)。
13.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，所述植物构件(10)的保持装置(27)包括设置在所述探测器(2)的顶上的横架以及用于捆绑固定所述承载植物构件(10)的植物的一部分的至少一条条带。
14.如权利要求12或13所述的仪器，其特征在于，它包括移动机构(20)的内部保护凹槽和测量时用以把所述机构移动到植物构件(10)的装置。
15.如前一项权利要求所述的仪器，其特征在于，它包括移动探测器(2)和控制两颚(21，22)运动的自动机构。
16.如权利要求12至15中的任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，它还包括有关气候环境和/或植物构件地理位置的数据采集装置(32)。
17.如权利要求12至16中的任何一项权利要求所述的仪器，其特征在于，它包括一个或几个下列模块：
●微控制器模块(30)，用于控制电子电路功能和机械自动装置；
●通信接口模块(31)，配备有本地输出和/或远程输出；
●移动机构的自动装置模块(33)；
●电源模块(34)，包含自主式能源。
18.一种用于借助于光电子探测器(2)测量光透射系数来测定植物构件(10)在其自然环境中水化速率的方法，它基本包括以下步骤：
●从第一光源(3)发射波长对应于水强吸收带的光，和可选地，从第二光源(4)发射波长约等于第一光源波长的水弱吸收的允许对光透射测量进行标定的光；
●以确定的频率调制所述光源(3，4)发射的光，以便获得所述光的交变分量；
●用发射的光的所述交变分量照射植物构件(10)；和
●在光接收器(5)上接收该光透过植物构件(10)的所述交变分量，并对光电信号进行同步检波。
19.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括放大所述光接收器(5)所接收的调谐在光源(3，4)的调制频率上的光的所述交变分量，以便在输出端获得与透过植物构件(10)的光功率成正比的信号的步骤。
20.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于，实现该光接收器(5)所接收的光的所述交变分量的放大之后，把该模拟信号转换为数字信号，并用数字信号处理器产生的与光源(3，4)调制信号相干的时钟信号作为基准进行处理，在输出端获得与透过植物构件(10)的调制光功率分量成正比的数字信号。
21.如权利要求18至20中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，维持第一光源(3)的结温度恒定，最好也维持光接收器(5)的结温度恒定。
22.如权利要求18至21中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述光源(3，4)发射的穿过光学组件(40)的光能够保证宽阔且均匀地照射植物构件(10)。
23.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述光源(3，4)发射的光穿过一组棱镜(42，43)，其反射面与入射光线和透镜(41，44)成45度角，所述棱镜设置在植物构件(10)的两侧。
24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述光源(3，4)发射的光穿过两个Fresnel棱镜(46，47)，其反射面包括多个与入射光线成45度角的小平面(48)，所述棱镜设置在植物构件(10)的两侧。
25.如权利要求18至24中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，利用由移动机构(20)承载的探测器(2)，所述移动机构包括两颚(21，22)，所述两颚相隔一段距离(23)，所述两颚彼此面对面，且其中一个支持所述光源(3，4)，而另一个则支持光接收器(5)，测量时预先把所述两颚放置植物构件(10)的两侧。
26.如前一项权利要求所述的方法，其特征在于，当两颚(21，22)放置在植物构件(10)的两侧时，所述两颚张开，接着关闭直至两颚的间隔调整撞块(25)处于测量位置为止。
27.如权利要求25或26所述的方法，其特征在于，在借助于所述移动机构所承载承载的所述探测器，实现植物构件(10)光透射系数的连续测量时，两次测量之间两颚缩回仪器内部凹槽中。
28.如权利要求25至27中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过固定承载所述植物构件的植物的一部分，使植物构件(10)持久地保持在非约束位置上，使之伸入承载该探测器(2)的移动机构(20)中。
29.如权利要求18至28中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括实现有关气候环境和/或所述植物构件的地理位置的数据采集。
30.如权利要求18至29中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括由本地自动系统或者远程指令管理的至少一个下列操作：
●起动和实现测量；
●控制电子电路和机械的功能；
●管理通信；
●数据的采集、存储和传输；
●自主式能源的电源；
31.如权利要求1至11中的任何一项权利要求所述的植物构件在其自然环境中水化速率的测定装置，或如权利要求12至17中的任何一项权利要求所述的检验植物构件在其自然环境中的水化速率的仪器，在随着时间估计和跟踪植被的水化状态的用途。
32.如权利要求18至30中的任何一项权利要求所述的方法，在随着时间估计和跟踪植被水化状态的用途。
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